LA METALURGIA DE POLVOS O PULVIMETALURGIA

I. INTRODUCCION

La metalurgia de los polvos, MP (PM en inglés), es una tecnología de

procesamiento de metales en la que se producen partes a partir de polvos

metálicos. Es una tecnología relativamente nueva y está cobrando hoy mayor

protagonismo, debido a la búsqueda de utilizar las cantidades justas de material,

con un mínimo (o sin) derroche del mismo en virutas debido al maquinado. Cada

día es mayor la cantidad de aplicaciones en la industria.

En la secuencia usual de producción de la PM, los polvos se comprimen para

darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión de las

partículas en una masa dura y rígida. La compresión, llamada prensado, se realiza

en una máquina tipo prensa cuyas herramientas se diseñan específicamente para

la parte a producir. Las herramientas, que consisten generalmente en un dado y

uno o más punzones, pueden ser costosas y es por esto que la PM es más

adecuada para niveles medios o altos de producción. El tratamiento térmico,

llamado sinterizado se realiza a una temperatura por debajo del punto de fusión

del metal.

II. DEFINICION

La pulvimetalurgia es un proceso de conformación metálica, como la forja, o el

moldeo, Esta técnica presenta un control dimensional muy exacto.

La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es un proceso de fabricación que,

partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma

determinada (compactado), se calientan en atmósfera controlada (sinterizado)

para la obtención de la pieza.

Este proceso es adecuado para la fabricación de grandes series de piezas

pequeñas de gran precisión, para materiales o mezclas poco comunes y para

controlar el grado de porosidad o permeabilidad.

La industria pulvimetalúrgica se basa en la producción de grandes series en las

cuales el costo del mecanizado influye decisivamente en el costo del producto

sinterizado.

III. DESCRIPCION DEL PROCESO

La pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos

metálicos hasta las piezas acabadas, es decir, producción de polvos, mezclado y

combinacion, compactacion, sinterización y acabado.

1. Obtención de los Polvos

Generalmente se realiza de metales puros, principalmente hierro, cobre,

estaño, aluminio, níquel y titanio, aleaciones como latones, bronces, aceros

y aceros inoxidables o polvos pre-aleados. Procesos típicos son:

Atomización en estado líquido. El metal fundido se vierte a través

de un embudo refractario en una cámara de atomización,

haciéndole pasar a través de chorros de agua pulverizada.

Atomización con electrodo fungible (electrólisis). Se colocan

barras o láminas como ánodos en un tanque que contiene un

electrolito. Se aplica corriente y tras 48 horas se obtiene en los

cátodos un depósito de polvo de aproximadamente 2mm. Se retiran

los cátodos y se rascan los polvos electrolíticos.

Reducción de óxidos metálicos. Se reducen los óxidos metálicos

a polvos metálicos poniéndolos en contacto con el gas reductor a

una temperatura inferior a la de fusión.

Pulverización mecánica. Útil en metales frágiles. Se muele el

metal o se lima y se lleva a través de un gas, separándose el metal

del gas en una corriente turbulenta dentro de un separador

ciclónico.

Condensación de vapores metálicos. Aplicable en metales que

pueden hervir condensando el vapor en forma de polvo (magnesio,

cadmio y zinc).

2. Mezclado y Combinación

Para lograr buenos resultados en la compactación y en el sinterizado, los

polvos metálicos necesitan homogeneizarse perfectamente antes del

proceso. Para ello, se deben mezclar y combinar los polvos. El mezclado

se refiere a la mezcla de polvos de la misma composición química, pero

posiblemente con diferentes tamaños de partículas, mientras que la

combinación se refiere a la mezcla de polvos con diferente composición

química. El mezclado tiene por objetivo:

Obtener uniformidad, ya que los polvos fabricados por los distintos

procesos tienen diferentes tamaños y formas. La mezcla ideal es

aquella en la que todas las partículas de cada material se

distribuyen uniformemente.

Poder introducir polvos de distintos materiales, incluso metales, para

impartir propiedades y características físicas y mecánicas

especiales al producto. Existen dos categorías bien definidas, tales

como aglutinantes y desfloculantes. Los aglutinantes tienen como

función lograr una resistencia adecuada en las partes prensadas,

pero no sinterizadas. Los desfloculantes inhiben la aglomeración de

los polvos para mejorar sus características de flujo durante la

alimentación.

Poder mezclar lubricantes con los polvos, para mejorar sus

características de flujo. Se obtiene una menor fricción entre las

partículas metálicas, mejor flujo de los metales en polvo hacia los

moldes, y una mayor vida de las matrices. Los lubricantes que se

usan con frecuencia son acido esteárico o estearato de zinc, en la

proporción de 0,25 a 5% en peso. También para reducir la fricción

se agrega también Aluminio, aunque en pequeñas cantidades.

El mezclado y la combinación se realizan por medios mecánicos, utilizando

tambores rotatorios, o fijos, pero con paletas mezcladoras. El mezclado de

los polvos se debe hacer bajo condiciones controladas, para evitar

contaminaciones o deterioro. El deterioro se debe a mezclado excesivo,

que puede modificar la forma de las partículas y endurecerlas por trabajo,

dificultando así la siguiente operación de compactación. Los polvos se

pueden mezclar en aire, en atmósferas inertes (para evitar la oxidación) o

en líquidos (lubricantes).

Un párrafo aparte merece el cuidado que se tiene que tener con estos

polvos, ya que por su gran relación de superficie a volumen, llegan a ser

explosivos, especialmente el Aluminio, el Magnesio, el Titanio, el Circonio y

el Torio. Se debe tener mucho cuidado durante el mezclado, el

almacenamiento y el manejo.

3. Compactación

En la compactación se aplica alta presión a los polvos para darles la forma

requerida. El método convencional de compactación es el prensado, en el

cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un dado o matriz o

en un molde. Las prensas que se usan son de acción hidráulica o

neumática. Los objetivos de la compactación son obtener la forma,

densidad y contacto entre partículas necesarios para que la parte tenga la

resistencia suficiente y se pueda seguir procesando. El polvo prensado se

llama comprimido crudo o en verde. El término verde significa que la parte

no está completamente procesada. El polvo debe fluir con facilidad para

llenar bien la cavidad del molde. El prensado se suele hacer a temperatura

ambiente, aunque también se puede hacer a altas temperaturas.

Como resultado del prensado, la densidad de la parte, llamada densidad

verde, es mucho más grande que la densidad volumétrica inicial, tendiendo

a la del metal macizo. La resistencia verde de la parte cuando es prensada

es adecuada para el manejo, pero mucho menor que la que se logra

después del sinterizado. La presión que se aplica en la compactación

produce inicialmente un reempacado de los polvos en un arreglo más

eficiente, elimina los puentes que se producen durante el llenado, reduce el

espacio de los poros e incrementa el punto de contacto entre las partículas.

Al incrementarse la presión, las partículas se deforman plásticamente,

ocasionando que el área de contacto interparticular aumente y entren en

contacto partículas adicionales. Esto viene acompañado de una reducción

posterior del volumen de los poros. Un factor importante a tener en cuenta

para estos factores es la distribución de los tamaños de las partículas, ya

que si todas las partículas son del mismo tamaño, siempre habrá algo de

porosidad cuando se empaquen. Por la fricción entre las partículas

metálicas del polvo, y la fricción entre los punzones y las paredes del dado,

la densidad en el interior de una pieza puede variar en forma considerable.

Esta variación se puede reducir al mínimo con un diseño correcto de

punzón y matriz, y controlando la fricción. Por ejemplo, podrá necesitarse

usar varios punzones con movimientos separados para asegurar que la

densidad sea casi uniforme en toda la parte. Es comparativamente una

situación parecida a la compactación que era necesaria en el caso de las

arenas de moldeo en el tema de fundición de los metales. La presión

necesaria para prensar metales en polvo va de 70MPa para el Aluminio,

hasta 800MPa para partes de hierro de alta densidad. La selección de la

prensa depende del tamaño y la configuración de la pieza, de la densidad

requerida y de la tasa de producción. Sin embargo, si aumenta la rapidez

de prensado, aumentará la tendencia de la prensa a aprisionar aire en la

cavidad de la matriz, evitando una compactación correcta.

4. Sinterizado

Después de prensado, el compactado verde carece de fuerza y resistencia,

se desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado, o la

sinterización, es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno

con atmósfera controlada, hasta una temperatura menor al punto de fusión,

pero lo suficientemente alta (0,7 a 0,9 del punto de fusión) como para

permitir la adhesión (fusión) de las partículas individuales, incrementando

así su resistencia y su fuerza. Se cree que la fuerza básica que mueve al

sinterizado es la reducción de la energía superficial. El compactado verde

consiste en muchas partículas distintas que tienen su propia superficie, por

tanto la superficie total contenida en el compactado es muy alta. Bajo la

influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de las

uniones entre las partículas, implicando una reducción de la energía

superficial. Mientras más fino sea el polvo inicial, más alta será la superficie

del área total y más grande la fuerza que mueve al proceso. Las variables

principales del sinterizado son la temperatura, el tiempo y la atmósfera del

horno. Los tiempos de sinterizado van de un mínimo de 10 min., para

aleaciones de hierro y cobre, hasta de 8 horas para tungsteno y tántalo.

Los hornos de sinterizado continuo, usados hoy para el grueso de la

producción, tienen 3 cámaras:

Una cámara de quemado para volatilizar los lubricantes del

comprimido crudo, para mejorar la resistencia de adhesión y evitar

la rotura.

Tiene una cámara de alta temperatura para el sinterizado.

Una cámara de enfriamiento.

En la práctica moderna del sinterizado se controla la atmósfera del horno.

Los propósitos de la atmósfera controlada son:

Proteger de la oxidación

Proporcionar una atmósfera reductora para remover los óxidos

existentes

Suministrar una atmósfera carburizadora

Ayudar a la remoción de los lubricantes y aglutinantes que se usan

en el prensado.

Las atmósferas de los hornos de sinterizado comunes son: de gas inerte,

basadas en nitrógeno, de amoniaco disociado, de hidrógeno y basadas en

gas natural. Las atmósferas al vacío se usan para ciertos metales como los

aceros inoxidables y el tungsteno. Es importante remarcar que es imposible

eliminar por completo la porosidad, porque quedan huecos después de la

compactación, y porque en el sinterizado se desprenden gases. Los poros

pueden formar una red de interconexiones, o pueden ser huecos cerrados.

Prensado Isostático

Una característica del prensado convencional es que la presión se

aplica uniaxialmente. Esto impone limitaciones sobre la geometría

de la parte, ya que los polvos metálicos no fluyen fácilmente en

dirección perpendicular a la aplicación de la presión. El prensado

uniaxial produce también variaciones de densidad en la

compactación, después del prensado. En el prensado isostático, la

presión se aplica en todas las direcciones contra los polvos

contenidos en un molde flexible. Para lograr la compactación se

utiliza presión hidráulica. El prensado isostático se puede hacer de

dos formas: 1) prensado isostático frío y 2) prensado isostático

caliente.

El prensado isostático frío es un compactado que se realiza a

temperatura ambiente. El molde, hecho de hule o de otro material

elastómero, se sobredimensiona para compensar la contracción. Se

usa agua o aceite para ejercer la presión hidrostática contra el

molde dentro de la cámara. Las ventajas de este método incluyen

una densidad más uniforme, herramientas menos costosas y mayor

aplicación a corridas cortas de producción. Por el lado de las

desventajas se encuentra que es muy difícil lograr una buena

precisión dimensional en el prensado isostático, debido a la

flexibilidad del molde. En consecuencia, se requieren operaciones

de formado y acabado antes o después del sinterizado, para

obtener las dimensiones requeridas.

El prensado isostático caliente se lleva a cabo a alta presión y

temperatura, usando como medio de compresión un gas que puede

ser argón o helio, realizándose en un solo paso el prensado y

sinterizado. A pesar de esta aparente ventaja, es un proceso

relativamente costoso y sus aplicaciones parecen concentrarse

actualmente en la industria aeroespacial. El molde que contiene los

polvos se hace de lámina de metal para resistir altas temperaturas.

Las partes hechas por este procedimiento se caracterizan por su

alta densidad (porosidad cercana a 0), unión interparticular completa

y buena resistencia mecánica.

Sinterizado en Fase Líquida

El sinterizado convencional es un sinterizado en estado sólido,

en el cual el metal se sinteriza a una temperatura por debajo de

su punto de fusión. En sistemas que involucran una mezcla de

dos polvos metálicos, donde existe una diferencia de

temperatura de fusión entre los dos metales, se usa un tipo

alternativo de sinterización, llamado sinterizado en fase líquida.

En este proceso, se mezclan los dos polvos iniciales y luego se

calientan a una temperatura lo suficientemente alta como para

fundir el metal de más bajo punto de fusión, pero no el otro. El

metal fundido moja perfectamente las partículas sólidas, creando

una estructura densa con uniones fuertes entre los metales una

vez solidificados. Un calentamiento prolongado puede generar la

aleación de los metales por una disolución gradual de las

partículas sólidas en el metal líquido o la difusión del metal

líquido en el sólido, dependiendo de los metales involucrados.

En cualquier caso, el producto resultante está completamente

densificado (sin poros) y fuerte. Ejemplos de sistemas que

involucran sinterización en fase líquida son: Fe-Cu, W-Cu y Cu-

Co.

Laminado de Polvos, Extrusión y Forjado

La laminación, la extrusión y el forjado son procesos

volumétricos característicos del formado de metales, pero

también lo son para la metalurgia de polvos.

Laminación de polvos. Los polvos pueden comprimirse

en una operación de laminado para formar material

metálico en tiras. El proceso se dispone comúnmente

para operar de manera continua o semicontinua. Los

polvos metálicos se compactan entre dos rodillos para

formar una tira verde que se alimenta directamente a un

horno de sinterizado. Después se enfría, se lamina y se

resinteriza.

Extrusión de polvos. La extrusión es un proceso básico

de manufactura, donde el polvo inicial puede tener

formas diferentes. En el método más popular, los polvos

se colocan al vacío en una lata de lámina metálica

hermética, se calientan y se extruyen junto con el

recipiente. En otra variante, se preforman los tochos por

un proceso de prensado convencional y sinterizacion y

después se extruyen en caliente. Estos métodos

alcanzan un alto grado de densificación en los procesos

de polvos metálicos.

Forjado de polvos. El forjado es proceso importante en

el formado del metal, donde la parte inicial es una parte

de metalurgia de polvos preformada mediante prensado y

sinterizado al tamaño apropiado. Las ventajas de este

método son: 1) la densificación de la parte de polvo

metálico; 2) el costo de las herramientas es más bajo y

se requieren pocos golpes durante la forja (y por lo tanto,

mayor velocidad de producción) ya que la parte inicial

está preformada y 3) poco desperdicio de material.

5. Operaciones Secundarias y de Acabado

Para mejorar las propiedades de los productos de la metalurgia de polvos o

para impartirles características especiales, se pueden efectuar varias

operaciones más, después del sinterizado.

Acuñado y dimensionamiento, son operaciones de compactación

a gran presión, en prensas. Los objetivos de estas operaciones son

impartir exactitud en las dimensiones de la parte sinterizada y

mejorar su resistencia y acabado superficial, mediante mayor

densificación.

Un avance importante es usar comprimidos de polvos de

aleaciones preformadas y sinterizadas, que después se forjan en

frío o en caliente hasta su forma definitiva, a veces mediante forjado

de impacto (veremos más adelante en tratamientos térmicos). Estos

productos tienen un muy buen acabado superficial, buenas

tolerancias dimensionales y un tamaño de grano fino y uniforme.

Las mejores propiedades alcanzadas hacen que esta técnica sea

especialmente adecuada para aplicaciones tales como la

fabricación de componentes automotrices y de motores de reacción

de alto desempeño.

La porosidad inherente a los productos de metalurgia de polvos se

puede aprovechar impregnándolos con un fluido. Una aplicación

característica es impregnar la parte sinterizada con aceite, por lo

general sumergiéndola en aceite caliente. Los cojinetes y bujes con

lubricación interna, con hasta 30% de aceite en volumen, se

fabrican con este método. Estos componentes tienen un suministro

continuo de lubricante, por acción capilar, durante sus vidas de

servicio. Hoy se hacen uniones universales mediante técnicas de

metalurgia de los polvos con impregnación de grasas, que ya no

requieren graseras.

La infiltración es un proceso en el que una masa de metal de menor

punto de fusión se apoya contra la parte sinterizada, y a

continuación se calienta el conjunto hasta una temperatura

suficiente para fundir dicha masa. El metal fundido se infiltra por los

poros, por acción capilar, y se produce una parte relativamente libre

de poros, con buena densidad y resistencia. La aplicación más

común es la infiltración de comprimidos a base hierro con cobre.

La ventaja de la infiltración son que se mejoran la dureza y la

resistencia a la tensión, y que los poros se llenan (esto ultimo evita

la penetración por la humedad, que podría causar la corrosión).

También se puede hacer infiltración con plomo: por la baja

resistencia del plomo al corte, la parte infiltrada desarrolla

características de menor fricción que la que no se infiltró. Algunos

materiales para cojinetes se fabrican con este método.

Las partes hechas con la metalurgia de los polvos se pueden

someter a otras operaciones de acabado, como las siguientes:

Tratamientos térmicos, para mejorar la resistencia y

dureza;

Maquinado, para producir diversas características

geométricas por fresado, taladrado y machuelado

(producción de agujeros roscados);

Rectificado, para aumentar la exactitud dimensional y el

acabado superficial;

Deposición, para mejorar la apariencia e impartir resistencia

al desgaste y a la corrosión.

Con todo lo mencionado anteriormente, los procesos y operaciones

comunes a la producción de productos utilizando la tecnología de la

metalurgia de polvos se muestran en el siguiente esquema:

IV. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas Desventajas

No se desperdicia material.

Precisión dimensional y buen acabado.

Tiempo de fabricación corto y costos

reducidos.

Piezas imposibles por otros medios:

porosidad controlada, mezcla de metales y

no metales (cerámicos).

Elevado costo de las matrices de

compactación.

Características mecánicas inferiores

debido a la porosidad del material.

Limitaciones de diseño: sección uniforme

en la dirección de compactado, esbeltez

limitada, etc.

V. APLICACIONES

APLICACIÓN EJEMPLOS DE USO

abrasivos ruedas polidoras metálicas, equipos de molienda

agricultura covertores de semillas, equipos de jardín y cesped

aeroespacio motores dejet, escudos de calor, boquillas de turbina

automóviles válvulas, engranes, varillas

químicos colorantes, filtros, catalíticos

construcción techado de asfañto, calafatear

eléctrico contactos, conectores

electrónico tintas, paquetes microelectrónicos, lavatorios de calor

hardware candados, herramientas, herramientas de cortte

tratamiento de

calor

calderas, termocuplas, bandejas de correa

industrial absorción de sonido, herramientas de corte

uniones soldadores, electrodos, llenado de soldadura

lubricación grasas

magnético relays, imanes, núcleos

manufactura moldes, herramientas, rodamientos

medicina/dental implantes de cadera, fórceps, amalgamas

metalúrgico recubrimiento metálico, aleaciones

nuclear escudos, filtros, reflectores

equipos de oficina copiadores, cámaras, fotocopiadores

artillería fusiles, munición, penetradores

personal vitaminas, cosméticos, jabones, lápices

petroquímico catalíticos, brocas

plásticos herramientas, moldes, llenadores, cemento, superficies de

desgaste

imprenta tintas, laminates

pirotécnicos explosivos, combustible, colorantes, bengalas

Bibliografía:

Manufactura, Ingeniería y Tecnología; Kalpakjian – Schmid; Ed. Prentice Hall

Ing. Daniel Borkosky 11

Fundamentos de Manufactura Moderna – Materiales, Procesos y Sistemas; Groover;

Ed. Prentice Hall

http://es.wikipedia.org/wiki/Pulvimetalurgia

http://www.cec.uchile.cl/~rhpalma/pulvimetalurgia/